碳化硅陶瓷的制備及燒結(jié)溫度對其密度影響的研究

1、目前制備高溫SiC陶瓷的方法主要有無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等 靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等。不同的燒結(jié)方法得到的SiC陶瓷的性能也各 不一樣。國內(nèi)外很多研究致力于添加適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑以便有效促進 SiC熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)雖然降低燒結(jié)溫度,得到較致密和抗彎強度 高的SiC陶瓷 ,但是熱壓工藝效率低,很難制造形狀復(fù)雜的SiC部 件,不利于工業(yè)化生產(chǎn)。許多研究人員采取熱等靜壓(HIP燒結(jié)工藝 制備SiC陶瓷,并取得了良好效果。雖然熱等靜壓燒結(jié)能獲得形狀復(fù) 雜且力學(xué)性能較好的致密SiC制品,但是因HIP燒結(jié)必須對素坯進行包 封,所以目前難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。自結(jié)合SiC制備基本上是一種反 應(yīng)燒結(jié)過程,反應(yīng)燒結(jié)過程通

2、常在真空下用感應(yīng)加熱石墨坩堝來完 成 。 自 結(jié) 合 SiC的強度在1400以前基本上與Si含量無關(guān),超過 1400由于Si的熔化,強度驟降,不能滿足結(jié)構(gòu)陶瓷的性能要求 。 常壓燒結(jié)被認(rèn)為是SiC燒結(jié)最有前途的燒結(jié)方法,通過常壓燒結(jié)工藝 可以制備出大尺寸和復(fù)雜形狀的SiC陶瓷制品,且成本低,易于實現(xiàn) 工業(yè)化生產(chǎn)。由于碳化硅陶瓷的難燒結(jié)性,其燒結(jié)通常需在很高溫度(23002400下進行,并且需要加入少量添加劑 才可致密。故在對SiC陶瓷 的各項性能影響盡可能小的條件下,最大程度地降低其燒結(jié)溫度是目前 研究的主題。本文采用亞微米級碳化硅細(xì)粉,加入少量合適的燒結(jié)添加 劑,用干壓成型及無壓燒結(jié)這兩個簡

3、單易行的工藝制備出碳化硅陶瓷樣 品,并研究了不同燒結(jié)溫度工藝下碳化硅陶瓷燒結(jié)體的密度。 實驗用原料為碳化硅粉,燒結(jié)助劑為碳和硼(C+B,實驗用 儀器名稱和用途見表1.1。本實驗設(shè)計的工藝流程如圖 .1所示:碳化硅陶瓷樣品的制備工藝過程如下:(1原料準(zhǔn)備。將碳化硅粉料按組分配比加入燒結(jié)助劑碳和硼 (各占1%2%,進行混合,并過篩以備用。(2坯體的成型。本實驗采用干壓法制備碳化硅陶瓷的坯體。 具體步驟為:將稱量好的粉料倒入金屬壓模(一般為鋼制中,壓平 后,把金屬壓模放在壓機壓頭下,然后以16噸的壓力通過壓機壓頭進 行單向加壓(因為樣品的H/D值很小,采用單向加壓對坯體質(zhì)量影響 不大,保壓5分鐘后進

4、行脫模。毛坯為方塊。對壓好的素坯,用游 標(biāo)卡尺測量其尺寸,用電子稱稱其重量。(3燒結(jié)。把碳化硅毛坯放入真空燒結(jié)爐內(nèi)進行無壓燒結(jié)。將素坯置于有氮化硼的石墨坩堝中。在燒結(jié)時,用流動的氮氣作為保護 氣氛。燒結(jié)結(jié)束時切斷電源,自行冷卻。氮化硼是用來防止 樣品互相 粘結(jié)的。對燒結(jié)好的制品測量其尺寸、重量,計算燒失率與線收縮 率。本實驗一共有五組。燒結(jié)工藝為:溫度從0經(jīng)過120分鐘的升溫 升到1000,再經(jīng)過25分鐘升到1250,保溫20分鐘后,用60分鐘升 到1850,再保溫30分鐘,A組用40分鐘升到2130,B組用45分鐘升到 2160,C組用50分鐘升到2190, D組用55分鐘升到2220,E組

5、用60分鐘升到2250。當(dāng)升到指定的溫度 后,各組都保溫60分鐘后進行自行冷 卻。燒結(jié)過程溫度制圖如圖1.2所示。 燒結(jié)助劑(C+B對碳化硅陶瓷密度 的影響如圖1.3,圖1.4所示。添加(C+B使SiC燒結(jié)活化的原因,綜合起來有如下說法:B的加入使SiC晶格產(chǎn)生缺陷促進了固態(tài)擴散。一種可能的缺 陷是三價B進入亞晶格中,要求一個電子來完成鍵對,產(chǎn)生一個帶中 性的空穴(h 和一個空位(V 。另一種可能的反應(yīng)是B占據(jù)一 個Si的位置,產(chǎn)生一個中性空穴(h,C進入C的位置 。認(rèn)為B與SiC形成固溶體,降低了晶界能, C 有利于除去 SiC表面的SiO,增加SiC的表面能。 根據(jù)三個柱狀粉燒結(jié)時形成三棱

6、形管狀孔隙模型 ,當(dāng)固-固界 面和氣孔平衡時,管狀氣 孔主等邊三角截面,這時孔槽角為60°。設(shè) 為兩粉末顆粒間的界面自由能,為 顆粒表面的自由能,這時晶 界能=,氣孔即不收縮,也不擴大,系統(tǒng)達(dá)到平衡。如果>,管狀氣孔的槽角就大于60°,氣孔增大;如果<,管 狀氣孔槽角就小于60°,氣孔收縮 。(4樣品加工。燒結(jié)出來的樣品要進行加工,首先在平面磨床 上進行磨削加工,除去樣品上多余的材料,使樣品達(dá)到所需要的尺 寸。然后在研磨拋光機上進行粗拋光,再在60-1970型拋光機上進行 精拋光,使樣品的表面光潔度達(dá)到鏡面,即表面看上去很亮很平,沒 有劃痕后備用。 為

7、了計算出燒結(jié)體的燒失率、線收縮率,必須測量出素坯的尺123677,8 過量的B(0.3%以上會使晶粒異常長大 。晶粒異常長大阻 礙完全致密化,并使材料強度降低。1實驗部分2結(jié)果與討論1.1實驗用原料及主要儀器1.2實驗過程與方法表1.1實驗用主要儀器圖1.1碳化硅陶瓷制備工藝流程圖1C , B i G 2SG S G SGS G S9碳化硅陶瓷的制備及燒結(jié)溫度對其密度影響的研究摘 要 關(guān)鍵詞 本文采用亞微米級碳化硅細(xì)粉,加入少量合適的燒結(jié)添加劑,用干壓成型及無壓燒結(jié)這兩個簡單易行的工藝制備出碳化 硅陶瓷樣品,研究了不同燒結(jié)溫度工藝下碳化硅陶瓷燒結(jié)體的密度。通過對燒結(jié)體密度的測量,燒失率和線收縮

8、率的計算及顯微組織 形貌的觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)添加了適當(dāng)含量燒結(jié)助劑碳和硼時,燒結(jié)溫度約為2200時碳化硅陶瓷有最大的密度,約為2170時有最小的燒 失率,為2130時,線收縮率最小。隨著燒結(jié)溫度升高,碳化硅陶瓷燒結(jié)體的微孔數(shù)量呈下降趨勢,燒結(jié)體微孔的深淺程度呈上升趨 勢。無壓燒結(jié) 碳化硅 陶瓷 燒結(jié)溫度 (上 海 師 范 大 學(xué) 生 命 與 環(huán) 境 科 學(xué) 學(xué) 院 樓 挺 挺董 亞 明 (接98頁 圖7是采用模糊PID控制方案及得到相應(yīng)的控制曲線圖。 從以上仿真和分析來看,模糊PID控制策略與常規(guī)PID控制器相比, 其反應(yīng)速度更快。經(jīng)過以上各種方案的仿真、比較和分析,對半導(dǎo)體 激光器溫度控制系統(tǒng)來說

9、,模糊PID的控制策略都有很好的控制性 能。參考文獻作者簡介 1L. E. DRAIN著.王任康,沈熊,周作元譯 . 激光多普勒技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,1985年2Yeh,Y.and Cummins H ,Z ,AppliedPhysicsLetters,1964,4:17683陶永華著 . 新型PID控制及其應(yīng)用 . 北京:機械工業(yè)出版社, 20024張國良著.模糊控制及其MATLAB應(yīng)用. 西安:西安交通大學(xué)出 版社,2002李炳虎(1975-,碩士研究生。研究方向:電力電子與 數(shù)字信號處理。(收稿日期:20081208 -寸、重量。用游標(biāo)卡尺量出素坯的長、寬、高,電子稱稱出素坯的重

10、量,按公式2.1計算出素坯的密度。素坯的密度=素坯的重量÷素坯的體積 (2.1 燒結(jié)后參數(shù)測量采用電子天平測出重量,游標(biāo)卡尺測量燒結(jié)體的 長、寬、高,公式2.2,2.3計算出燒結(jié)體的線收縮率,公式2.4算出燒 結(jié)體的燒失率,阿基米德法測出燒結(jié)體的密度。橫向收縮率=素坯的(長+寬÷2-燒結(jié)體的(長+寬÷2÷素坯的(長+寬÷2×100%(2.2 縱向收縮率=素坯的高-燒結(jié)體的高÷素坯的高×100%(2.3燒失率=(素坯的重量-燒結(jié)體的重量÷素坯的重量×100%(2.4阿基米德法測燒結(jié)體的密度的基本步

11、驟為:把磨光后的燒結(jié)體 由于在較高溫度下,碳化硅燒結(jié)體在燒結(jié)過程中出現(xiàn)了結(jié)晶(第四 組燒結(jié)體表面有少量的結(jié)晶,第五組燒結(jié)體的結(jié)晶程度較大,使燒 結(jié)體的表面凹凸不平,在測量其濕重時會產(chǎn)生氣泡,影響燒結(jié)體的體 積 , 進 而 影 響 它 們 的 密 度 , 故 把 燒 結(jié) 體 進 行 磨 光 后 再 測 量 其 密 度。先用電子天平測其干重,再測濕重,然后用公式2.5算出燒結(jié)體 的密度。燒結(jié)體的密度=干重÷(干重-濕重 (2.5圖2.1為燒結(jié)溫度與燒結(jié)體密度之間的關(guān)系曲線,從圖中可以 看 出,燒結(jié)溫度與SiC陶瓷燒結(jié)體密度之間的曲線并不是呈線性的,而 是有一個最佳的組合點,即當(dāng)燒結(jié)溫度約

12、為2200,燒結(jié)體有最大的 密度。圖2.2為SiC燒結(jié)溫度與燒失率的關(guān)系曲線圖,從圖2.2可以看出, 在2160以前,燒失率隨著燒結(jié)溫度的升高而小幅度的降低;在 2160到2190之間,燒失率變化不大,在約2170時最小;在 2190以后,燒結(jié)溫度-燒失率曲線隨著燒結(jié)溫度的升高而呈現(xiàn)較大 幅度的上升趨勢。 圖2.3為SiC燒結(jié)溫度與燒結(jié)體線收縮率的關(guān)系曲線,從圖2.3可以 看出,SiC燒結(jié)體的線收縮率隨著燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)出高低起伏的 變化。在2130至2250之間,當(dāng)T2190,橫向收縮率曲線隨著 溫度的升高呈上升趨勢;當(dāng)溫度在2190-2220時,橫向收縮率隨 著燒結(jié)溫度的升高而下降;當(dāng)T

13、2220時,收縮率曲線又隨著溫度 的升高而上揚。2130時有最小的 橫向收縮率。在燒結(jié)中所選溫度范圍內(nèi),當(dāng) T2180,縱向收縮率隨著燒結(jié) 溫度的增加而上升;當(dāng)2180T 2220,收縮率曲線隨著溫度的 上升而下降;當(dāng)T2220時,曲線再次出現(xiàn)上揚的趨勢;在2130時,縱向收縮率最小。從兩條曲線可以看出,在燒結(jié)溫度為2130時,橫向和縱向收縮 率都最小。為了了解燒結(jié)體的顯微形貌,我們用SEM對燒結(jié)體進行了觀測, 圖2.4、2.5、2.6為燒結(jié)體微觀形貌照圖片。從上面的顯微組織形貌圖 可以看出,每幅圖上都有微孔。這些微孔影響著燒結(jié)體的密度。圖 2.5,2130燒結(jié)溫度下燒結(jié)體掃描電鏡圖里的微孔多

14、而小,圖2.4, 2220燒結(jié)溫度下燒結(jié)體SEM里的微孔數(shù)量比圖2.5的少了一些,但 比圖2.5的大,圖2.6,2250燒結(jié)溫度下燒結(jié)體SEM里的微孔數(shù)量比 圖2.4的又少了一些,但這些微孔已經(jīng)變得很粗大了,不但影響著陶 瓷的密度,還影響著陶瓷的性能。 通過研究不同燒結(jié)溫度工藝下碳化硅陶瓷燒結(jié)體的基本參數(shù),得 出以下結(jié)論:(1在本實驗中,當(dāng)燒結(jié)溫度約為2200,碳化硅燒結(jié)體最致 密化,此時的燒失率比較小,但不是最低值,線收縮率也不是很大。(2燒結(jié)溫度為2160到2190之間時,燒失率很小,低于 5%;在約2170時最小,此時燒結(jié)體密度曲線呈現(xiàn)出較陡的上升趨 勢,橫向收縮曲線呈現(xiàn)比密度曲線陡的幅

15、度上升,而縱向收縮曲線較 平緩,但值相對較大。(3在2130時,線收縮率最小,此時在所選燒結(jié)溫度范圍 內(nèi),燒結(jié)體的密度最低,燒失率也較大。(4從掃描電鏡圖可以得知,燒結(jié)體微孔數(shù)量多少的排列順序 為:2130的>2220的>2250的;燒結(jié)體微孔深淺程度的排列順 序為:2250的>2220的>2130的。(5綜合以上(1、(2、(3、(4的敘述和結(jié)合圖 2.1、2.2、2.3、2.4、2.5及2.6可以得出,當(dāng)燒結(jié)溫度為2200時,碳 化硅燒結(jié)體有較好的基本參數(shù),如(1所述。2.1燒結(jié)溫度與密度2.2燒結(jié)溫度與燒失率2.3燒結(jié)溫度與收縮率2.4樣品的顯微組織形貌3結(jié)論參考文獻作者簡介 1董紹明等. 制備工藝對熱壓燒結(jié)SiC/SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的 影響J. 無機材料學(xué)報,2005,(204:883-8882秦成娟等. 碳化硅陶瓷的研究進展J. 山 東陶瓷,2006,(29 4:18193黃智恒等. 碳化硅陶瓷的活化燒結(jié)與燒結(jié)助劑J. 材料科學(xué)與工 藝,2